折疊式夾層板橫向吸能特性研究

張延昌，胡宗文，俞鞠梅，王自力

(1.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011;2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;3.92118部隊，浙江 舟山 316000)

水面艦船作為海軍的重要作戰(zhàn)裝備，其抗爆抗沖擊性能及生命力始終為研究熱點。爆炸或碰撞造成的瞬間高強度載荷導致強沖擊、大過載為艦船破壞的直接原因。為提高艦船抗爆抗沖擊性能，研究新型結構形式以期代替?zhèn)鹘y(tǒng)艦船結構。Jones［1］對結構動塑性行為進行理論、數(shù)值及實驗研究，并對車船碰撞能量吸收系統(tǒng)工程結構進行具體研究，探討各種因素對結構動塑性影響。曾斐等［2］通過評估泡沫鋁緩沖結構的吸能特性，明確其吸能效率曲線與理想吸能效率曲線的應用范圍，比較分析四種密度泡沫鋁在動靜載荷下的吸能特性。T?rnqvist［3］對船舶舷側耐撞結構進行設計，并結合試驗研究耐撞結構的吸能機理，對碰撞過程中發(fā)生的斷裂、裂紋擴展進行研究。張振華等［4］從吸能率角度分析防雷艙各層結構防護機理，并進行試驗及防雷艙水下抗爆設計。余同希等［5］總結基本構件在不同加載條件下的變形、吸能機理，用實驗方法研究蜂窩式夾層板、泡沫式夾層板等各種結構在爆炸載荷、子彈沖擊載荷及軸向壓潰載荷等作用下的動態(tài)響應，并進行數(shù)值仿真分析。彭興寧等［6］對國內外吸能結構研究現(xiàn)狀進行綜述，并分析比較X、波紋、管束及柱形四種典型結構的吸能特性、原則及方法。

隨研究不斷發(fā)展，由兩層面板與夾芯層經(jīng)粘結、焊接的夾層板結構成為焦點。夾層板按材料分為復合材料夾層板與金屬夾層板。夾芯層結構材料及結構型式為決定夾層板力學性能的關鍵因素［7］，按夾芯層結構材料及與面板連接方式可分為［7－8］折疊式夾層板、蜂窩式夾層板、桁架式夾層板、夾層板系統(tǒng)SPS、混凝土夾層板等。

為保證結構間焊接性能，折疊式夾層板夾芯層與面板通常為同一種材料，即船用高強度低合金鋼、不銹鋼、鈦合金及鋁合金等。夾芯層與面板間通常采用激光焊接，稱激光焊接夾層板。由折疊或簡單構件(管件)組成的折疊式金屬薄板夾芯層折線或管件軸線平行于夾層板面板。夾芯層中間可填充特定物(泡沫、金屬泡沫、樹脂、石棉等)進行防火、隔聲等多功能設計。金屬折疊式夾芯層或管件在橫向(垂直于夾層板方向)壓皺載荷下具有高效吸能特性，可用于艦船防護結構及耐撞結構設計［9－10］。

1 折疊式夾層板概念設計

夾芯層結構型式及力學性能為決定夾層板結構力學性能的關鍵因素。目前已有的折疊式夾芯層型式為V、U、I、Vf、C、Z、hat－profile、Key、Tube、Square－tube、X型、NAVTRUSS 等［7，11］。在整理分析基礎上，據(jù)夾芯層結構類型將折疊式夾層板分為U型、V型、X型、Y型、Tube型等五種類型，結構示意見圖1。

圖1 折疊式夾層板示意圖Fig.1 Schematic view of corrugated cores sandwich panels

1.1 U型折疊式夾層板

U－Ⅰ、U－Ⅱ型夾芯層加工工藝較簡單，由金屬平板剪切而成，夾芯壁板與面板通過激光焊接連接;U－Ⅳ型夾芯層由整體薄板折疊而成，可設計專門壓制裝置，實現(xiàn)折疊式夾芯層自動高精度制造，焊接時無需特別加工裝置，夾芯層與面板平行搭接，對焊接工藝、結構尺寸精度等要求相對較低，制造工藝方便。

1.2 V型折疊式夾層板

V－Ⅰ、V－Ⅲ、V－Ⅳ夾芯層結構由平板折疊冷壓而成，V－Ⅲ型夾芯層在V－Ⅰ型基礎上增加同一方向(向夾芯層單元內部或外部)弧度，使其在壓皺載荷下產(chǎn)生特定變形模式，提高結構的吸能效率;V－Ⅳ型夾芯層為正弦波紋結構，由金屬平板壓制而成;V－Ⅰ型及V－Ⅳ型由整板折疊或壓制而成，實際結構經(jīng)壓制或折疊加工成型后，其頂點多為圓弧，使激光焊接方式由工藝要求較高的垂直穿透焊變?yōu)槠叫羞B接穿透焊，工藝更簡單。

1.3 X型折疊式夾層板

X－Ⅰ、X－Ⅳ型夾芯層由兩層V型折疊式結構在折線位置焊接而成;X－Ⅱ型由Ⅴ型折疊式結構在頂部焊接而成;X－Ⅲ型夾芯層結構制造相對復雜，夾芯層部分由兩層V－Ⅰ型折疊式結構在折線位置焊接，然后在上下頂角處焊接板條，構成X－Ⅲ型夾芯層。

1.4 Y型折疊式夾層板

Y－Ⅰ型夾芯層由薄板折疊后焊接成Y型單元，正向與反向Y型單元間隔布置;Y－Ⅱ型夾芯層單元由兩片折疊板構成，單元等間距布置;Y－Ⅲ型夾芯層由平板折疊而成;Y－Ⅳ型夾芯層由平板折疊成一層Ⅴ型，然后焊接板條結構構成。

1.5 Tube型夾層板

Tube型夾層板夾芯層由圓管、方管按一定方式排列布置，通過激光焊接與上下面板連接而成。該型式夾芯層為型材－圓管、方管，夾芯層無需專門設計加工裝置。

2 橫向壓皺性能數(shù)值仿真分析

2.1 分析方案及有限元模型

俞鞠梅等［12－13］曾對Ⅴ型夾層板橫向壓皺性能進行試驗研究及數(shù)值仿真分析，完善并驗證基于Abaqus折疊式夾層板壓潰性能有限元數(shù)值仿真技術。有限元分析時以重錘低速撞擊夾層板模擬準靜態(tài)壓皺載荷。夾層板試件上下面板厚度tf=4 mm，夾芯層高度取hc=120 mm，夾芯層板厚 tc=4.0 mm，縱向為20 mm，側向4～5個夾芯層單元，約500～600 mm，夾芯層間距、夾角等參數(shù)受篇幅限制從略，結構重量見表1。重錘重量10000kg，撞擊速度1 m/s。焊縫與夾芯層、面板材料均為船用低碳鋼，采用Cowper－Symonds彈塑性材料模型，考慮應變率敏感影響，其中D=40，P=5，單元類型、網(wǎng)格尺寸、邊界約束、接觸等的定義見文獻［12］。為避免不同變形模式影響，在U－Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ及V－Ⅰ、Ⅱ等夾層板夾芯施加初始塑性變形為0.1 mm，使其與其它型式夾層板具有相同變形模式I－相鄰的兩片夾芯板同時發(fā)生向上或向下屈曲變形［13］。各種型式夾層板有限元模型見圖2。

圖2 夾層板結構有限元模型Fig.2 Finite element modes of sandwich panel

2.2 計算結果分析

2.2.1 U 型夾層板

壓皺力位移曲線見圖3。由圖3看出，U－Ⅰ與U－Ⅳ兩種夾層板結構載荷位移曲線形狀、壓皺力水平及有效壓皺行程等基本相當，壓皺力均出現(xiàn)明顯的兩個峰值;U－Ⅳ夾層板對應的兩個峰值較U－Ⅰ小很多，主要由于夾芯層與面板存在0.2 mm間隙，壓皺過程中夾芯層與面板接觸而發(fā)生彎曲，夾芯層屈曲臨界載荷下降。U－Ⅱ夾層板峰值載荷、平臺階段的壓皺載荷均明顯高于其它結構，但其第二峰值不明顯，主要因夾芯層壓皺后相鄰兩片芯板接觸范圍小，若增加間距使芯板不接觸，第二峰值會消失。U－Ⅲ夾層板平臺段壓皺力較高，無明顯第二峰值，有效壓皺行程約為其它三種結構的3/4。

圖3 壓皺力－位移曲線Fig.3 Curves of crushing force versus compressive displacement

圖3曲線中各關鍵位置對應的結構損傷變形見圖4，該圖反映出夾芯層在壓皺過程中的損傷變形模式，其中U－Ⅰ與U－Ⅳ兩種結構壓皺力－位移曲線較接近，夾芯均產(chǎn)生吸能效率較高的變形模式Ⅰ。壓皺力作用下夾芯板失穩(wěn)，壓皺達到第一峰值點，夾芯壁板中間出現(xiàn)塑性鉸。當夾芯壁板中間的塑性鉸與上面板接觸時壓皺力曲線出現(xiàn)第二個峰值。而U－Ⅱ、U－Ⅲ兩種結構壓皺力位移曲線，均不存在第二峰值。U－Ⅱ夾層板相鄰單元夾芯壁板在塑性鉸處相互接觸形成X形變形模式。

圖4 U型夾芯層結構損傷變形圖Fig.4 Deformation of U－type core sandwich panels

表1為20種夾芯層結構壓皺性能匯總表。其中W為結構重量;Fc1，F(xiàn)c2分別為壓皺力位移曲線第一、二峰值載荷;E為夾芯壓實時結構吸能;δ為壓皺行程;Fm為平均壓皺力;SF為第一峰值載荷與重量之比;Se為吸能與重量之比(比吸能);Sσ為平均壓皺強度與重量之比。由表1看出，前三種結構第一峰值載荷基本相當，遠高于U－Ⅳ結構峰值載荷;U－Ⅰ型平均壓皺強度遠高于其它三種夾層板，順序依次為 U－Ⅳ、U－Ⅲ、U－Ⅱ;除U－Ⅲ外其它三種結構的有效壓皺行程基本相當，約為夾芯層高度的3/4。除U－Ⅲ結構形式吸能效率一般外，其它三種結構形式吸能效率均較高，U－Ⅰ夾層板吸能效率最高。綜合對比分析，U－Ⅰ與U－Ⅳ夾層板吸能效率較高，而U－Ⅳ夾芯層折疊加工、與夾層板激光焊接較簡單，U－Ⅳ型夾層板在艦船上應用前景較好。

表1 夾芯層壓皺力學性能參數(shù)匯總Tab.1 Crushing performance parameters of sandwich cores

2.2.2 V 型夾層板

四種V型夾芯層結構載荷位移曲線見圖5，結構損傷變形見圖6。由兩圖看出，V－Ⅰ～V－Ⅲ三種夾層板結構載荷位移曲線基本相似，具有第一、第二兩明顯峰值載荷;V－Ⅰ夾層板對應的第一載荷峰值最大，V－Ⅱ峰值載荷最小，若考慮單位重量峰值載荷，則V－Ⅲ夾層板結構第一峰值較低，即V－Ⅲ夾芯結構形狀使結構更易發(fā)生壓皺屈曲。V－Ⅳ夾層板兩峰值載荷不明顯，第二峰值后曲線趨勢完全不同于前三種結構。可見弧形夾芯層可控制壓皺后的結構變形模式，使夾芯層結構產(chǎn)生吸能效率較高的變形模式，因此在夾芯層結構設計時，可在夾芯層壁板中增加特定的初始變形，提高結構吸能效率。

圖5 壓皺力－載荷位移曲線Fig.5 Curves of crushing force versus compressive displacemen

圖6 V型夾芯層結構損傷變形圖Fig.6 Deformation of V－type core sandwich panels

由表1看出，四種V型夾層板的吸能效率均較高，其中 V－Ⅰ、V－Ⅲ、V－Ⅳ型夾層板的比吸能基本相同，V－Ⅲ相對較高;綜合比較峰值載荷、比吸能、平均壓皺強度等參數(shù)知，V－Ⅰ吸能效率最高，具有較高的第一峰值載荷，發(fā)生壓皺變形閥值較大，且具有一定第二峰值載荷，可限制繼續(xù)壓皺，為較優(yōu)吸能夾芯型式。夾芯層結構增加初始塑性變形可控制變形模式，但會減低第一峰值載荷大小，如V－Ⅲ時在V－Ⅰ的基礎上增加弧形塑性變形，施加初始塑性變形可得吸能效率較高的變形模式，但第一峰值載荷有所下降。V－Ⅲ及V－Ⅳ兩種夾芯層結構設計成弧形、波紋形，無需施加任何初始缺陷即可獲得吸能效率較高的變形模式，壓皺性能參數(shù)均高于施加缺陷結構的性能參數(shù)，結構吸能效率高于另兩種夾芯層。因此，V－Ⅲ、V－Ⅳ也是吸能優(yōu)良的夾芯層結構型式，但不足在于初始峰值載荷較低，更易壓皺。

2.2.3 X 型夾層板

數(shù)值仿真計算所得四種X型夾芯層結構載荷－位移曲線見圖7，結構損傷變形見圖8。由兩圖看出，X－Ⅰ、X－Ⅱ兩種夾芯層結構在橫向壓皺載荷下產(chǎn)生屈曲，載荷達到第一峰值，在夾芯層交叉節(jié)點發(fā)生旋轉變形，夾芯壁板產(chǎn)生彎曲變形，載荷迅速下降，而發(fā)生彎曲的載荷較小;隨夾芯層與上下面板接觸，載荷上升進入壓實階段。X－Ⅲ、X－Ⅲ兩種夾芯層在壓皺載荷下先發(fā)生彎曲，使第一峰值載荷較低;隨壓皺行程增加夾芯層產(chǎn)生彎曲塑性鉸、夾芯層及面板相互接觸，載荷增加進入壓實階段。

據(jù)表1，四種X型夾層板結構的比吸能為2.22～3.96 kJ/kg，有效壓皺行程為 54.5 ～72.0 mm，比強度為80.1 ～244.0 MPa/kg。與其它結構形式相比，X－Ⅱ、X－Ⅲ、X－Ⅳ三種型式夾層板吸能效率一般，X－Ⅰ型夾層板吸能效率較差。X型式夾層板整體吸能效率不高主要與該形式夾層板的壓皺有效行程較小及夾芯變形模式有關。

圖7 壓皺力－位移曲線Fig.7 Curves of crushing force versus compressive displacement

2.2.4 Y 型夾層板

Y型夾層板壓皺力－位移曲線見圖9，結構損傷變形見圖10。由兩圖看出，四種Y型夾芯層結構的壓皺力曲線趨勢基本一致，第一峰值載荷較小，第二峰值較高。Y－Ⅳ型夾層板不存在第二峰值，與其變形模式有關。在壓皺力作用下Y型夾層板夾芯層結構在折線處發(fā)生彎曲變形，而板的彎曲載荷較小，第一峰值后載荷曲線相對平坦，當壓皺行程約80 mm時夾芯層壓皺后與上下面板接觸，載荷迅速上升，出現(xiàn)第二平臺段，隨后載荷曲線進入壓實階段。

據(jù)表1，四種Y型夾層板的比吸能為2.08～3.01 kJ/kg，有效壓皺行程為65.3 ～81.3 mm，平均壓皺強度為1.84～2.12 MPa。Y－I夾層板結構的吸能效率一般，其它三種夾層板結構的吸能效率較差。較其它型式夾層板，Y型夾層板第一峰值載荷較低，第二峰值載荷較高，比吸能、平均壓皺強度均較低，且夾芯層結構的制造工藝較復雜。

圖8 X型夾芯層結構損傷變形圖Fig.8 Deformation of X－type core sandwich panels

圖9 壓皺力－位移曲線Fig.9 Curves of crushing force versus compressive displacement

2.2.5 Tube 型夾層板

四種Tube型夾層板的壓皺力位移曲線見圖11，結構損傷變形見圖12。由兩圖看出，方管Ⅰ(square tube I)夾芯層壓皺變形模式與X－Ⅰ相同，載荷位移曲線基本相似，計算的壓皺力學性能參數(shù)基本相等;兩者間因單元選取不同而導致邊界效應影響程度不同，吸能效率較差。方管Ⅱ、圓管Ⅱ在壓皺載荷下發(fā)生彎曲變形模式，在方管頂角及圓管邊部產(chǎn)生彎曲形成塑性鉸，整個壓皺過程中夾芯層之間無相互接觸，載荷曲線呈現(xiàn)較長平臺段，壓皺載荷較小，吸能效率較差。圓管Ⅰ(circle tube I)在壓皺載荷及相鄰圓管影響下，接觸點上下兩端發(fā)生彎曲變形，隨壓皺位移增加相鄰壁板完全靠在一起，圓管壓成方形，壓皺載荷呈現(xiàn)上升趨勢，該兩壁板同時失效，載荷出現(xiàn)峰值;當壓皺行程約90 mm時進入壓實階段。由夾芯層結構的壓皺力學性能知，圓管Ⅰ型夾層板作為防護結構具有較高的吸能效率。

圖10 Y型夾芯層結構損傷變形圖Fig.10 Deformation of Y－type core sandwich panels

圖11 壓皺力－位移曲線Fig.11 Curves of crushing force versus compressive displacement

3 壓皺性能對比分析

作為艦船防護結構，除滿足強度、穩(wěn)定性等強度要求外亦需具備幾個優(yōu)點:① 較高的第一峰值載荷保證結構正常工作時不會發(fā)生塑性變形，提高結構的應用范圍;② 壓皺過程中壓皺載荷及較高吸能效率較穩(wěn)定，即平均壓皺強度及比吸能較高;③ 具有一定壓皺行程。后兩點可用比吸能及平均壓皺強度描述，表示夾芯層結構通過褶皺屈曲變形吸收能量的能力及效率。

圖12 管件夾芯層結構損傷變形圖Fig.12 Deformation of tube－type core sandwich panels

由表1橫向壓皺性能數(shù)值仿真分析結果看出，不同夾芯層結構的吸能效率明顯不同;V－Ⅰ～V－Ⅳ、U－Ⅰ五種夾芯層結構吸能效率及平均壓皺強度較高，數(shù)值相當，壓皺性能最優(yōu)，夾芯結構軸向壓皺變形，能吸收面板架部分能量，可有效分擔沖擊能量。五種夾芯層結構中V－Ⅳ、V－Ⅲ兩種夾芯層結構的比吸能、比強度最高，但不足之處在于兩種結構的第一峰值載荷門檻較低，承受的工作載荷不能高于峰值載荷，即兩種結構更易被壓潰;其它三種夾芯層結構，在初始缺陷下產(chǎn)生吸能效率較高的變形模式，在吸能較低的變形模式下結構吸能效率尚待進一步研究。而 U－Ⅳ、Circle Tube－Ⅰ、U－Ⅱ三種夾芯層結構的吸能效率較高，在一定條件下可作為吸能結構。該研究可為夾層板吸能結構夾芯層選取提供指導。

4 結論

在總結整理折疊式夾層板基礎上，對金屬夾層板進行分類，提出20種新式折疊式夾層板結構概念設計，并利用Abaqus數(shù)值仿真分析各種型式的夾層板在橫向壓皺載荷下的吸能特性，結論如下:

(1)對比分析不同夾芯層結構在橫向壓皺載荷下的變形模型及吸能特性知，夾芯層在橫向壓皺下發(fā)生屈服、屈曲、壓皺變形模式，各夾層板結構壓皺載荷與結構變形模式有密切關系，變形模式為決定吸能特性的關鍵因素。

(2)對于 U－Ⅰ、U－Ⅱ、U－Ⅳ、V－Ⅰ、V－Ⅱ等型式夾層板壓皺變形模式具有隨機性，其變形模式為兩類單元變形模式的組合，受初始缺陷影響，其余結構壓皺變形模式較固定。

(3)夾芯層結構在橫向載荷作用下具有較高的第一峰值載荷、較長的有效壓皺行程、平穩(wěn)的壓皺載荷，表現(xiàn)出良好的吸能特性，夾層板可用作防護結構設計。

(4)V－Ⅰ ～V－Ⅳ、U－Ⅰ五種夾層板結構的吸能效率及平均壓皺強度較高，數(shù)值相當，吸能效率最優(yōu)。其次為 U－Ⅳ、Circle Tube－Ⅰ、U－Ⅱ三種夾芯層結構，吸能效率較高，在一定條件下可作為吸能結構。

［1］Jones N.Structural impact［M］.Cambridge University Press，1997.

［2］曾斐，潘藝，胡時勝.泡沫鋁緩沖吸能評估及其特性［J］.爆炸與沖擊，2002，22(4):358 －362.ZENG Fei，PAN Yi，HU Shi－sheng.Evaluation of cushioning properties and energy－absorption capacity of foam aluminium［J］.Explsion And Shock Waves，2002，22(4):358 －362.

［3］T?rnqvist R.Design of crashworthy ship structures［D］.Technical University of Denmark，2003.

［4］朱錫，張振華.水面艦船舷側防雷艙結構模型抗爆試驗研究［J］.爆炸與沖擊，2004，24(2):134－139.ZHU Xi， ZHANG Zhen－h(huán)ua. Experiental study on the explosion resistance of cabin near shipboard of surface warship subjected to underwater contact explosion［J］.Explosion and Shock Waves，2004，24(2):134 －139.

［5］余同希，盧國興.材料與結構的能量吸收－耐撞性［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2006.

［6］彭興寧，嚴波，潘建強，等.水面艦船吸能結構及分析方法［A］.2007年船舶力學學術會議論文集［C］.2007.

［7］Kujala P，Klanac A.Steel sandwich panels in marine applications［J］.Brodogradnja，2005，56(4):305 －314.

［8］Wadley H N G.Multifunctional periodic cellular metals［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society A，2006，364:31－68.

［9］王自力，張延昌.基于夾層板的單殼船體結構耐撞性設計［J］.中國造船，2008，49(1):60－65.WANG Zi－li，ZHANG Yan－chang.Single hull ship structure crashworthy design based on sandwich panel［J］.Shipbuilding of China，2008，49(1):60－65.

［10］岳燦甫，吳始棟.國外船用激光焊接波紋夾芯板的開發(fā)與應用［J］.魚雷技術，2008，15(4):1－5.YUE Can－fu，WU Shi－dong.Introduction to development and applications of marine laserwelded lightweight sandwich panel in the us navy and european countries［J］.Torpedo Technology，2008，15(4):1－5.

［11］Zhang Yan－chang，Zhang Shi－lian，Wang Zi－li，et al.Quasistatic compressive behavior of U－type corrugated cores sandwich panels［J］.Journal of Ship Mechanics，2012，16(12):1415－1426.

［12］俞鞠梅，周紅，張延昌.折疊式夾層結構壓皺性能數(shù)值仿真［J］.計算機輔助工程，2013，22(3):63 －70.YU Ju－mei，ZHOU Hong，ZHANG Yan－chang.Numerical simulation on crushing performance of folding sandwich structure［J］.Computer Aided Engineering，2013，22(3):63 －70.

［13］張延昌，俞鞠梅，張世聯(lián)，等.V型折疊式夾層板橫向壓皺吸能特性研究［J］.振動與沖擊，2014，33(1):98－103.ZHANG Yan－chang，YU Ju－mei，ZHANG Shi－lian，et al.Energy absorption of v－type corrugated cores sandwich panels under lateral crushing［J］.Journal of Vibration and Shock，2014，33(1):98－103.